直線牽引電機結構部件動態(tài)剛度優(yōu)化

李汛保，何云風，李科成，劉雄建

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412000）

直線牽引電機主要裝備在城軌、磁懸浮等軌道交通車輛，為車輛提供牽引動力，屬于車輛核心部件。與傳統(tǒng)旋轉電機相比，直線電機的低噪聲、輕量化、維護成本低等技術優(yōu)勢，使得直線電機成為電機研究的熱點。

由于技術的前沿性，直線型牽引電機研制經驗不足，動態(tài)線路工況未能完全掌握，部件結構設計不一定是最優(yōu)方案。因此線路調試過程中，累計經驗，在全面了解電機動態(tài)線路工況后，對電機繼續(xù)進行結構優(yōu)化是很有必要的。

以直線牽引電機結構部件支線架為例，在線路調試過程中，由列車故障引起的振動會造成支線架與端部繞組（繞組懸空部分）磕碰，多次磕碰后，端部繞組磕碰點處絕緣易被擊穿，造成電機絕緣可靠性降低，情況嚴重的會造成電機報廢。因此，文章對電機結構部件支線架動態(tài)剛度進行優(yōu)化，提高電機整體可靠性。

1 直線牽引電機總體結構

直線牽引電機外形結構設計受限于車體轉向架提供的安裝空間，同時保證電機輕量化設計，其外形和結構如圖1、圖2所示，主要包括鐵心、繞組、懸掛、支線架、引出電纜等部件。

直線牽引電機總體結構設計：鐵心和繞組采用復合材料刷涂方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機外機殼保護；繞組和引出電纜轉接空間采用裸露支線架替代傳統(tǒng)電機接線盒。該電機結構設計方案符合電機輕量化設計方向。

圖1 直線牽引電機（裝車）

從結構上可以看到，支線架替代了傳統(tǒng)電機的接線盒功能，為繞組和引出電纜提供一個轉接空間。

圖2 剖視圖

2 動態(tài)剛度理論計算

機械結構部件可以看作有限個小單元組成，其動力學方程可以用式（1）表示：

式中：M為質量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；x為位移向量；Q為系統(tǒng)合力。

結構部件無阻尼、無外激勵載荷的自由振動時，連續(xù)彈性體動力學方程式（1）即可化簡為：

對簡諧振動，有

其中u為與時間無關的振幅向量；?為初相位；p為圓頻率；t是時間。

根據式（2）和式（3），可得特征方程：

求解方程得到的p就是結構部件的固有頻率，u就是相應的振型。

3 有限元仿真計算和結果分析

3.1 模型建立及材料參數

電機在線路運行過程中遇到瞬時大沖擊工況時，會引起支線架和端部繞組同時振動，如圖3故障原理，當支線架和端部繞組振動相位差180°，并且頻率接近時，支線架遠端極易與端部繞組遠端發(fā)生磕碰。

圖 3 故障原理

根據支線架和端部繞組振動情況，對模型進行簡化。支線架如圖 4所示，端部繞組（單個）如圖5所示。

圖4 支線架

圖5 端部繞組（單個）

支線架和端部繞組材料參數如表1所示。

表1 材料屬性

3.2 邊界條件

支線架螺栓固定處的通孔進行全約束，端部繞組在鐵心端面處的截面進行全約束。

電機的三相引出電纜通過支線架的轉接與外接電源相連，故三相引出電纜重量主要由支線架承受。同時根據車輛調試測量的沖擊加速度量級，等效施加在支線架上。端部繞組并頭重量也集中在線圈遠端，以質量點施加。

3.3 靜強度分析

對支線架靜強度進行有限元分析，計算結果如表 2。支線架的安全系數S=3.4，端部繞組的安全系數S=3.7，設計安全余量較大。靜強度校核符合設計要求。

表 2 靜強度分析結果

3.4 動態(tài)剛度分析

經過有限元模態(tài)分析，得到支線架和端部繞組垂向振動振型對應的固有頻率，對應表3所示。

表3 垂向振動固有頻率

從表3結果可以看出支線架振型為垂向振動對應的固有頻率與端部繞組振型為垂向振動對應的固有頻率接近。

由于產品制造的差異性，支線架和端部繞組的附加質量（附著浸漬漆、引出電纜長度等因素）通常會變化，二者垂向方向振動的固有頻率很有可能一致。當受外界較大瞬時激勵時，且二者振動相位差180°時，支線架和端部繞組極易發(fā)生磕碰，造成電機絕緣擊穿。

通過改變支線架和端部繞組結構形態(tài)，錯開二者的垂向振動對應的固有頻率范圍，可以減小磕碰概率發(fā)生。

端部繞組結構由線圈方案決定，其決定了電機的電磁方案、散熱效率等方面，在現有大批量生產的情況下，不宜改動。因此可以通過改變支線架結構，實現錯開支線架和端部繞組垂向振動固有頻率范圍的目的。

4 支線架動態(tài)剛度優(yōu)化

（1）優(yōu)化方案。對支線架重新設計兩個方案。優(yōu)化方案1：將原方案支線架板加厚3mm。優(yōu)化方案2：支線架由鈑金成型改為焊接結構，同時在下方增加兩個加強筋，如圖6所示。

圖6 支線架優(yōu)化方案2

（2）優(yōu)化方案靜強度分析。對優(yōu)化方案的強度進行有限元分析，得到支線架優(yōu)化方案靜強度結果如表4所示。

表4 優(yōu)化方案靜強度分析結果

由表4結果知，優(yōu)化方案1應力下降較大，靜強度安全余量提高，優(yōu)化方案2應力水平與原始方案持平，同樣符合設計要求。

優(yōu)化方案對比原始方案靜態(tài)剛度：優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2靜剛度都強于原始方案。

（3）優(yōu)化方案動態(tài)剛度分析。對優(yōu)化方案進行動態(tài)剛度分析，得到優(yōu)化方案支線架垂向振動振型對應的固有頻率，如表5所示。

表5 垂向振動固有頻率

由表5結果知，優(yōu)化方案2的垂向振動振型對應的固有頻率遠高于優(yōu)化方案1出垂向振動振型對應的固有頻率。

優(yōu)化方案2垂向振動振型對應的固有頻率同樣也遠高于端部繞組垂向振動對應的固有頻率，理論上支線架和端部繞組磕碰概率減小許多。

故優(yōu)化方案2可作為支線架施工方案。

（4）裝車驗證。優(yōu)化的產品如圖7所示，從生產實物測試得到，優(yōu)化方案靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度都有較大提升。

從裝車后的線路調試過程來看，直線牽引電機支線架和端部繞組未再發(fā)生磕碰現象。

圖7 優(yōu)化產品

5 結語

文章基于有限元和動態(tài)剛度理論對電機支線架和端部繞組靜強度、動態(tài)剛度進行分析，優(yōu)化支線架動態(tài)剛度，避免支線架固有頻率與電機端部繞組固有頻率接近，減小支線架與端部繞組在復雜線路振動工況下發(fā)生磕碰的概率。

文章從工程應用的角度，結合機械、振動等專業(yè)理論知識，將復雜工程應用問題分解為簡單仿真計算模型，從而解決實際工程問題。為工程從業(yè)者提供一種工程應用問題解決思路，具有一定參考價值。

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